钢纤维-橡胶混凝土的研究现状

发表时间:2017/3/16   来源:《科技中国》2017年1期   作者:娄嘉庆
[导读] 本文中笔者将主要从钢纤维--橡胶混凝土(简称为“SFRRC”)的拌合物性能(主要是塌落度)。

(湖北省宜昌市夷陵中学  湖北 宜昌  443000)
摘要
橡胶具有很强的延性,如果将废弃轮胎经过一系列的处理加工成橡胶颗粒,并掺入到混凝土中,不仅可以提高混凝土的延性,同时又能很好的解决废弃橡胶所造成的污染问题。当将橡胶掺入到混凝土中时会导致其强度有一定的下降;而向混凝土中掺入钢纤维、石棉或聚乙烯醇纤维等纤维材料则可以在一定程度上解决这个问题。同时又由于钢纤维的具有很强的延性以及良好的拉结作用,极大的增加了混凝土的延性和抗拉性能。在本文中笔者将主要从钢纤维--橡胶混凝土(简称为“SFRRC”)的拌合物性能(主要是塌落度)、力学性能以及耐久性三个方面阐述SFRRC的研究现状。
关键词:钢纤维—橡胶混凝土、力学性能、耐久性
        引言
        如今,我国的汽车产业正在飞速的发展,与此同时就造成了轮胎消耗量的大大增加;而伴随着轮胎大量消耗的就是产生大量的废旧轮胎,这些无用的轮胎给我国的环境保护和治理的造成了极大的压力。橡胶是一种自然条件下难以分解的高分子物质,对于全球废弃轮胎的处理问题来说,脱硫再生胶是一种解决方法,然而这种方法在实际中的应用却很少。如美国在1997年用脱硫再生胶生产的轮胎仅占中比例的0.9%。加上利润低,流程长,能耗大以及污染严重,脱硫再生胶现在已经退出了市场。就目前来说,发达国家的主要将废旧橡胶用于火力发电和道路建设等方面。若将废旧橡胶粉碎成末,加入到混凝土中使用,一方面解决了橡胶的污染问题,另一方面也因为在混凝土中掺入橡胶使得其的韧性,抗裂性,隔声性能和能量吸收的能力等。当我们向混凝土基材中加入适量的橡胶时,细小的橡胶粉作为弹性体可以通过自身的形变将应力消耗和扩散到周围的材料中,从而减少体系中的应力;减少混凝土裂纹的产生和开展,从而减小了混凝土由于裂缝的产生和开展引起的承载力下降。但随着混凝土中橡胶掺量的增加,其抗压、抗折等力学性能均会有所减小,这就制约了橡胶改性混凝土在实际工程中的使用和推广。因此出现了对SFRRC的研究。就掺入的各种纤维来说,钢纤维具有较高的弹性模量以及抗拉强度,在与橡胶混凝土复合使用时提高了其抗裂性能以及抗冲击韧性等。同时将橡胶混凝土用作道面材料时,往拌合物中加入适当比例的钢纤维可以有效提高道面的耐久性。
        2015年,中国的生产了超过23.5亿吨的水泥,远高于排名第二的印度的2.7亿吨。生产如此之多的水泥不仅大量消耗了能源,而且由于生产过程的粗放极大地破坏了我国的生态环境。如果在使用的混凝土中加入适量的橡胶粉以及纤维,可以大量减少的水泥使用量,不仅可以减少能源使用,同时也能为保护环境做出贡献。
        钢纤维--橡胶混凝土拌合物的性能
        坍落度
        在付萍[1]等人的试验中,无论是只掺入橡胶,还是在一定橡胶掺量是掺入不同量的钢纤维,混凝土的坍落度都随着掺量的增加呈现下降趋势。但当橡胶在混凝土中的掺入比例在10%以下时,拌合物坍落度的减少并不明显。由此得出可能的结论是:由于掺入物表面粗糙,将其掺入混凝土中时,其表面存在一系列的气泡,减小了拌合物之间的摩擦,使得骨料间的润滑作用得到改善[2]。
        朱江[3]等人的试验发现,当将掺量相同的16、40、60目三种不同粒径的橡胶颗粒与一定比例的钢纤维同时加入到混凝土中时,掺入40目粒径橡胶颗粒的SFRRC拌合物的坍落度比掺有其它两种粒径橡胶的拌合物塌落度要大。
        钢纤维--橡胶混凝土的力学性能
        抗压性能
        刘日鑫[4]等人研究发现,当将橡胶加入到混凝土拌合物中时,养护成型后所得到试件的抗压强度随橡胶掺量的提高而减小。但这种下降在橡胶掺入量小于10%时较为缓慢,当橡胶掺入量为20%时,其抗压强度与不加入橡胶时相比下降了59.9%。
        从陈传锋[5]等人的研究中,我们可以得出结论,掺入钢纤维可以使橡胶改性混凝土的抗压能力有所提升。
        笔者以强度等级为32.5的水泥为基材,进行试验得到如下数据

         
        


        由表中数据可以看出,当橡胶掺量一定时,随着钢纤维的掺入,抗压强度有一定的提升,此结果与陈传锋等人的试验结果相同。而当钢纤维掺量一定时,由表中数据,我们可以看出,SFRRC试块的抗压强度与橡胶掺量并不呈正相关,而是随着橡胶体积分数的提高,呈现先上升后减小的趋势。
        但值得注意的是;从表中数据分析我们得知,橡胶掺量为10%时,得到的实验数据的规律与其他三种橡胶掺量所得到的数据的规律不一致,而且也与陈传锋等人的试验结果并不相符。造成这种原因可能是笔者初次实验,导致试块在入模成型的过程中出现了内部缺陷,造成个别试块的实验数据出现误差。
        抗折强度
        李旭东[6]等人研究发现,混凝土的抗折强度随着橡胶掺量的增大而减小。当将适量的钢纤维加入到橡胶混凝土中时,此时经养护成型所得到的改性混凝土的抗折强度上升,其强度变化与钢纤维所掺比例呈正相关的趋势。

 

        由表中数据分析可知,当橡胶的掺入比例保持一定,改性混凝土试件的抗折强度会随着钢纤维掺入量的提高而有小幅的提升。这与李旭东等人的实验结果吻合。
        同时从表中数据可以看出,钢纤维掺量1.0%,橡胶掺量10%是上述12种掺入组合中的最优组合
        劈裂抗拉性能
        李旭东[6]等人的研究发现,橡胶颗粒的加入导致了混凝土的劈裂抗拉强度降低,这是由于混凝土内部的粘结面因橡胶粉而产生了变化,承受拉应力的有效面积减少。将钢纤维掺入到橡胶混凝土中能显著增强混凝土的抗压性能,并且当钢纤维的掺入比例达到某一数值后可以完全抵消由于橡胶的加入而造成的强度下降。这是由于钢纤维的韧性使等混凝土改善了其自身的脆性特点,具有了一定的延性,显著提升了抵抗裂缝开展的能力
        抗冲击性能
        刘日鑫[4]等人研究发现,当橡胶的掺量在低于7%,橡胶对于混凝土的抗冲击性能(即“抵抗冲击荷载的能力”)有一定的提升,但提升效果不明显。当橡胶颗粒掺量高于7%时,此时经养护成型得到的橡胶改性混凝土抵抗冲击荷载的能力不再随橡胶掺量提高而上升;而是会随着掺量的增加其抵抗冲击荷载的能力明显降低,并且在某一掺量后会低于素混凝土抵抗冲击荷载的能力。
        范小春[8]等人的研究发现,在加入橡胶后,混凝土试件抵抗冲击荷载的能力会有一定程度的降低,橡胶混凝土抵抗冲击荷载的能力仅为普通混凝土的83%。同时研究还发现加入钢纤维后所得到的SFRRC抵抗冲击荷载的能力不仅会比只加橡胶的改性混凝土有所提升,同时由于钢纤维的增强作用,SFRRC抵抗冲击荷载的能力也会强于素混凝土。
        钢纤维--橡胶混凝土的耐久性能
        抗渗性能
        钢材在的作用下会发生锈蚀,当混凝土中的钢筋或钢纤维长期暴露在高浓度的环境时,不仅会导致钢筋的锈蚀,同时还会严重影响钢筋混凝土的承载力。付萍[1]等人采用NEL法对混凝土抵抗扩散的能力进行了分析,发现随着向混凝土中掺入橡胶颗粒以及钢纤维,其抵抗扩散的能力均有所提升。
        抗冻融性能
        对于冬季温度低于0 的地区,混凝土中游离水的冻胀作用会导致混凝土内部出现裂缝,加速外界酸性物质的进入,导致钢筋的腐蚀。在钢纤维—橡胶混凝土中,橡胶带入的气泡可以缓解部分冻胀压力,而钢纤维则增强了混凝土抗拉性能,提升了混凝土的抗冻融性能。
        钢纤维橡胶混凝土的高温性能
        由于钢纤维在承受高温作用后仍能保持较好的韧性,将其掺入到混凝土中可以显著的减小在高温作用时强度下降的幅度。李旭东[6]的研究发现;在经过高温后,素混凝土、橡胶混凝土、SFRRC的抗压强度、劈裂抗拉能力、抗折能力均出现了不同程度的下降。掺入钢纤维后有效地减小了混凝土在承受高温后各类工作性能劣化。同时在刘峰[9]等人对高强混凝土高温抗爆性能的研究中,钢纤维和橡胶的掺入能有效提高其高温后的峰值强度,提高其高温抗爆性能
        结论和展望
        结论
        (1)、在混凝土中掺入橡胶,钢纤维均会导致混凝土拌合物塌落度降低,并且随着掺量的增加塌落度的降低越明显。
        (2)、向混凝土中掺入橡胶会导致所得到的改性混凝土的抗压、抗折、劈裂抗拉以及抗冲击性能均有所下降,但掺入钢纤维可在一定范围内改善这种下降,当掺入量达到一定程度时可以抵消掺入橡胶导致的下降
        (3)、SFRRC具有较好的抗冻融性能、耐磨以及高温性能。适合在冬季最低温度在零度以下的地区使用。
        展望
        在当今发展的世界中,各国都对再生资源和循环利用有着高度重视,在混凝土中掺入橡胶颗粒不仅符合绿色发展,也可以加强混凝土的某些性能,虽然加入橡胶会降低其各项工作性能,但是在加入钢纤维后可以有效的改善由于加入橡胶引起的工作性能的降低。未来,可以将钢纤维改性橡胶混凝土应用于道路、桥梁以及飞机跑道中,这样可以在达到相同力学性能的前提下降低混凝土的用量,同时可以在一定程度上增加道面的耐久度,使得在正常使用期内,减少维修次数。
        虽然在本文中我们阐述了改性混凝土的抗压等力学性能,但并未就其疲劳性能讨论和研究。在未来我们可以对SFRRC的疲劳性能进行研究,研究其在疲劳(循环)荷载作用下,掺入钢纤维以及橡胶等材料会对混凝土的各项力学性能会造成什么影响。


参考文献

[1]. 付萍,于和煦,李光.橡胶-钢纤维混凝土研究[J].市政技术,2009, 27(4): 396-398.
[2]. 李悦,王玲,废橡胶粉改性硫磺混凝土的研究[J]. 粉煤灰,2007, 19(2):27-28.
[3]. 朱江钢.纤维改性再生橡胶高强混凝土性能试验研究[J]. 混凝土, 2009,(5):86-89.
[4]. 刘日鑫. 橡胶颗粒对混凝土力学性能的影响[J]. 建筑材料学报, 2009,12(3):341-344.
[5]. 陈传锋.钢纤维增强橡胶高强混凝土抗拉强度试验研究[J]. 铁道建筑, 2009,(4):119-121.
[6]. 李旭东,朱江,张东升.掺钢纤维的橡胶混凝土力学性能试验研究[C].第十二届全国现代结构工程学术研讨会暨第二届全国索结构技术交流会. 2012. 中国北京.
[7]. 张东升,朱江.钢纤维改性橡胶混凝土弯拉性能试验研究[C].全国现代结构工程学术研讨会. 2013.
[8]. 范小春, 袁海庆, 卢哲安.层布式钢纤维橡胶混凝土力学性能试验研究[J]. 武汉理工大学学报,2008,30(7):46-48.
[9]. 刘锋.橡胶粉-纤维改性高强混凝土的高温性能[J]. 建筑材料学报, 2011,14(1):124-131.


 
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